CN111024306A - 一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法 - Google Patents

一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法 Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M7/08—Shock-testing

Abstract

本发明公开一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法。实现方法为：调整可变质量台车的头部安装位置至其碰撞面与地面垂直；将标准传感器与待校准传感器相背地固定在镶嵌于碰撞壁的铁犁板上，使其承撞面与台车的碰撞面平行且中心重合；将有缓冲垫的端头安装在待校准传感器上；设定一个碰撞质量与碰撞速度范围，形成m组碰撞质量不变、速度由小到大的试验工况；通过将台车与牵引系统相连接实现上述设定试验，同步采集两个传感器的输出信号；直线拟合数据；根据拟合方程，计算某一碰撞质量下的非线性偏差最大值，据其计算该碰撞质量下传感器的线性度；改变碰撞质量，重复上述步骤，获得不同碰撞质量下的线性度和线性度关系，从而实现动态校准。

Description

一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法
技术领域
本发明涉及一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，属于力传感器的校准方法领域。
背景技术
线性度又称非线性，表征传感器输出-输入校准曲线(或平均校准曲线)与所选定的作为工作直线的拟合直线之间的偏离程度，这一指标通常以相对误差表示：
Figure BDA0002233983120000011
式(4)中：ξL为线性度；ΔLmax为输出平均校准曲线与拟合直线间的最大偏差；
yF.S为理论满量程输出。
力传感器线性度目前采用的校准方法，按照其动态力发生装置的激励形式不同可以分为阶跃式、脉冲式和正弦式三大类，但若将这些动态力发生装置用于测量碰撞力的力传感器校准，则存在许多不足，如振动台式正弦力源产生正弦力的精度不够高，力值不够大；阶跃式力源存在幅值灵敏度校准方法不规范的问题；脉冲式力源不能保证设备在高速冲击下的受力条件和正常情况一致，容易引起较大误差，目前，国内还没有建立完整的测量碰撞力的力传感器标定/校准体系，这主要是因为影响测量碰撞力的力传感器标定/校准的因素很多，特别是碰撞力的加载条件、传感器的安装环境、设备结构参数等；随着交通安全技术的发展，催生了对装备抗毁灭能力的检测内容，其需要检测抗撞结构在毁灭性碰撞条件下的抗力，相应地，就需要符合碰撞力加载条件、装备使用安装环境、装备结构参数等要求的碰撞力测量系统及力传感器的动态校准方法，利用碰撞实验室的条件进行碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准，所获得的校准结果更贴近力传感器的实际工作状态。
发明内容
本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，要解决的技术问题是：获得力传感器的动态性能，通过利用现有碰撞实验室的试验条件，来产生一系列碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞工况，通过同步测量标准力传感器与待校准力传感器在所述碰撞工况下的输出值，从而获得不同碰撞质量下的线性度关系，即实现力传感器线性度的动态校准。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法为：调整可变质量台车的头部安装位置，使可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直；借助镶嵌在碰撞壁上的铁犁板，将标准力传感器与待校准力传感器背靠背地固定在铁犁板上，使力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行，且承撞面与碰撞面的中心重合；将圆柱型端头安装在待校准力传感器上，并在圆柱型端头表面垫放薄毛毡作为缓冲垫；设定一个碰撞质量，设定一个碰撞速度范围，形成m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况；将可变质量台车与碰撞实验室的牵引系统相连接；通过碰撞实验室的牵引控制系统，安排m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验，同步采集标准力传感器与待校准力传感器的输出信号；将m组碰撞试验的数据进行直线拟合；根据拟合方程，计算该碰撞质量下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该碰撞质量下力传感器的线性度；改变可变质量台车的碰撞质量，重复上述力传感器线性度测量过程，获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，得到不同碰撞质量下的线性度关系，实现力传感器线性度的动态校准。其特点是：根据碰撞力传感器的工作特点，将传感器校准中的直接比较法与碰撞实验室的试验条件相结合，提出力传感器线性度的动态校准方法，该方法直接采用了碰撞力传感器工程测量的使用环境，不仅避免了以往采用模拟碰撞力传感器使用环境进行校准的先天不足，而且简单方便，不需要添置额外的仪器设备，减少校准成本。
本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，包括如下步骤：
S1：调整可变质量台车的头部安装位置，使可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直。
优选地，通过在可变质量台车与其头部之间的不同部位垫放不同厚度与不同数量的垫片，实现可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直。
S2：借助镶嵌在碰撞壁上的铁犁板，将标准力传感器与待校准力传感器背靠背地固定在铁犁板上，使力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行，且承撞面与碰撞面的中心重合。
优选地，将待校准力传感器和标准力传感器采样背靠背水平叠加的方式刚性连接在一起。
优选地，将标准力传感器紧贴着铁犁板布置，再将待校准力传感器紧贴着标准力传感器布置。
优选地，通过在铁犁板与标准力传感器之间的不同部位垫放不同厚度与不同数量的垫片，实现力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行。
优选地，将可变质量台车与牵引系统连接后，再利用牵引系统，使可变质量台车缓慢运动到接近待校准力传感器位置，通过调整标准力传感器在铁犁板上的位置，实现力传感器的承撞面与可变质量台车头部碰撞面的中心重合。
S3：将圆柱型端头安装在待校准力传感器上，并在圆柱型端头表面垫放薄毛毡作为缓冲垫。
优选地，圆柱型端头表面垫放的薄毛毡，其厚度约3mm。
S4：设定一个碰撞质量，设定一个碰撞速度范围，形成m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况。
优选地，m的取值在5到10之间。
S5：将可变质量台车与碰撞实验室的牵引系统相连接,连接方法与常规碰撞试验连接方法相同。
S6：通过碰撞实验室的牵引控制系统，安排m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验，同步采集标准力传感器与待校准力传感器的输出信号；其中，对牵引控制系统参数的设置与常规碰撞试验时对应的参数设置方式相同，但参数的具体数值要符合当前试验的要求。
S7：将S6中的m组碰撞试验的数据进行直线拟合；
步骤S7为所述的拟合方程如公式(1)所示：
Fb＝p+qVj (1)
式(1)中：
Fb为标准力传感器输出的力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vj为待校准力传感器输出的电压值，V。
S8：根据S7得到的拟合方程，计算该碰撞质量下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该碰撞质量下力传感器的线性度，步骤S8的具体实现方法为：
S81：根据步骤S7得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示：
Figure BDA0002233983120000031
式(2)中：
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure BDA0002233983120000032
为第i个碰撞速度对应的标准力传感器输出的碰撞力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vi j为第i个碰撞速度对应的待校准力传感器输出的电压值，V。
S82：根据非线性偏差最大值计算该碰撞质量下的线性度L如公式(3)所示：
Figure BDA0002233983120000041
式(3)中：
L为待校准力传感器的线性度；
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure BDA0002233983120000042
为待校准力传感器输出的量程。
S9：改变S4的碰撞质量与碰撞速度范围,形成新的m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况，重复上述S4到S8的力传感器线性度测量过程，即能够获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，从而得到不同碰撞质量下的线性度关系，进而实现力传感器线性度的动态校准。
有益效果：
<1>、本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，保持碰撞质量一定，控制碰撞速度，产生m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞工况，并同步采集标准力传感器与待校准力传感器的输出信号。将步骤S6中所得m组数据进行直线拟合，得到拟合方程。根据步骤S7得到的拟合方程计算某一碰撞质量下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该碰撞质量下力传感器的线性度，即实现固定碰撞质量下的力传感器线性度校准。
<2>、本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，通过采用可变质量台车，复现不同碰撞质量对应的碰撞工况，改变步骤S4中的碰撞质量与碰撞速度范围，并再重复步骤S4至步骤S8，即能够获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，进而得到不同碰撞质量下的线性度关系，即实现力传感器线性度的动态校准。
<3>、本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，利用碰撞实验室的试验条件进行校准，复现了碰撞力传感器工程测量的实际使用环境，在实现力传感器线性度动态校准的同时，使校准状态更接近力传感器的实际使用状态，校准结果更具有实际使用意义。
附图说明
图1是本发明中所用的碰撞力传感器的动态校准系统示意图。
图1基于碰撞实验室现有的碰撞试验条件，借鉴了加速度传感器标定/校准中的直接比较法，将被校准力传感器(远离碰撞壁)和标准力传感器(贴近碰撞壁)采用水平叠加的方式、背靠背地、刚性的连接在一起，并安装在铁梨板上，其中，铁梨板是碰撞实验室建设初期就已经嵌固在碰撞壁上的、开有安装槽的钢板，碰撞壁是质量超过100吨的、配有钢筋的混凝土刚性墙。
图1的碰撞力测力传感器校准系统由如下四个PART构成：
PAR1——标准测力系统：由标准力传感器、数据采集与处理系统组成。
PART2——待校准测力系统：由待校准的力传感器、数据采集系统和处理系统组成。
PART3——可变质量台车及其牵引控制系统组成，这部分完全采用了碰撞实验室现有的试验条件，可变质量台车与牵引系统的连接方式完全与常规碰撞试验的连接方式相同。通过对牵引系统的运动控制，实现对可变质量台车运行速度的控制，而对牵引系统的运动控制则完全采用碰撞实验室现有的牵引控制系统。
PART4——在待校准力传感器上安装圆柱型端头，并在圆柱型端头表面垫放薄毛毡，避免台车直接刚性碰撞待校准力传感器敏感面，同时过滤刚性碰撞产生的高频分量，使碰撞力响应的波形光滑。
图1中的数据采集系统为离线数据高速同步采集记录器，离线数据高速同步采集记录器与计算机通过以太网通讯，所有通道并行同步工作，最高连续采样速率不低于1MHz/通道。通过离线处理系统对离线数据高速同步采集记录器中记录的信号进行数据处理，数据处理时，需要设置CFC1000～CFC60的低通滤波频率，以去除噪声，获得容易辨识的信号。
从图1可知，台车以设定碰撞质量与碰撞速度撞击在待校准力传感器的敏感面，通过标准力传感器测量碰撞力的大小，通过待校准力传感器得到输出电压，根据两者的输出量得到校准结果。该方法模拟力传感器工程测量的使用环境，简单方便。
图2是本发明公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1，本实施例公开的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，动态校准系统示意图如图1所示，动态校准方法的流程图如图2所示，具体实现步骤如下：
S1：通过在可变质量台车与其头部之间的不同部位垫放不同厚度与不同数量的垫片，实现可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直。
S2：采用将标准力传感器紧贴着铁犁板、将待校准力传感器紧贴着标准力传感器的摆放顺序，将待校准力传感器和标准力传感器采样背靠背水平叠加的方式刚性连接到铁犁板上。通过在铁犁板与标准力传感器之间的不同部位垫放不同厚度与不同数量的垫片，实现力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行。将可变质量台车与牵引系统连接后，再利用牵引系统，使可变质量台车缓慢运动到接近待校准力传感器位置，通过调整标准力传感器在铁犁板上的位置，实现力传感器的承撞面与可变质量台车头部碰撞面的中心重合。
S3：将圆柱型端头安装在待校准力传感器上，并在圆柱型端头表面垫放厚度约3mm的薄毛毡作为缓冲垫；
S4：设定碰撞质量为W、碰撞速度为V1～V2，形成m组(优选地，m取5到10中的一个数)碰撞质量为W、碰撞速度从V1到V2均匀变化的碰撞试验工况；
S5：通过增减配重，使可变质量台车的重量达到W，按照常规碰撞试验中可变质量台车与牵引系统连接的方式，将可变质量台车与碰撞实验室的牵引系统连接起来；
S6：进行可变质量台车的碰撞试验。
S61：对某一碰撞速度对应的碰撞试验工况进行碰撞试验。
通过在牵引控制系统中设定该工况相应的碰撞速度，按照常规碰撞试验的一般流程进行碰撞试验，通过图1的离线数据高速同步采集记录器，同步采集并记录标准力传感器与待校准力传感器的输出信号。离线数据高速同步采集记录器的所有通道并行同步工作，最高连续采样速率不低于1MHz/通道。
离线数据高速同步采集记录器与计算机通过以太网通讯，完成该工况的碰撞试验后，利用离线处理系统对离线数据高速同步采集记录器中记录的信号进行数据处理，数据处理时，需要设置CFC1000～CFC60的低通滤波频率，以去除噪声，获得容易辨识的信号。
通过离线处理系统，获得标准力传感器测量得到的碰撞力值，同时获得待校准力传感器测量得到的输出电压。
S62：对另一碰撞速度对应的碰撞试验工况进行碰撞试验。
更换碰撞速度，根据步骤S61的安排，对另一碰撞速度对应的碰撞试验工况进行碰撞试验。如此循环，直到完成步骤S4预定的全部碰撞试验。
S7：将S6中的m组碰撞试验的数据进行直线拟合；
步骤S7为所述的拟合方程如公式(1)所示：
Fb＝p+qVj (1)
式(1)中：
Fb为标准力传感器输出的力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vj为待校准力传感器输出的电压值，V。
S8：根据S7得到的拟合方程，计算该碰撞质量下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该碰撞质量下力传感器的线性度；
步骤S8的具体实现方法为:
S81：根据步骤S7得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示：
Figure BDA0002233983120000071
式(2)中：
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure BDA0002233983120000072
为第i个碰撞速度对应的标准力传感器输出的碰撞力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vi j为第i个碰撞速度对应的待校准力传感器输出的电压值，V。
S82：根据非线性偏差最大值计算该碰撞质量下的线性度L如公式(3)所示：
Figure BDA0002233983120000073
式(3)中：
L为待校准力传感器的线性度；
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure BDA0002233983120000074
为待校准力传感器输出的量程。
S9：改变S4的碰撞质量与碰撞速度范围,形成新的m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况，重复上述S4到S8的力传感器线性度测量过程，即能够获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，从而得到不同碰撞质量下的线性度关系，进而实现力传感器线性度的动态校准。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：调整可变质量台车的头部安装位置，使可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直；
S2：借助镶嵌在碰撞壁上的铁犁板，将标准力传感器与待校准力传感器背靠背地固定在铁犁板上，使力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行，且承撞面与碰撞面的中心重合；
S3：将圆柱型端头安装在待校准力传感器上，并在圆柱型端头表面垫放薄毛毡作为缓冲垫；
S4：设定一个碰撞质量，设定碰撞速度范围，形成m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况；
S5：将可变质量台车与碰撞实验室的牵引系统相连接；
S6：通过碰撞实验室的牵引控制系统，安排m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验，同步采集标准力传感器与待校准力传感器的输出信号；
S7：将S6中的m组碰撞试验的数据进行直线拟合；
S8：根据S7得到的拟合方程，计算某一碰撞质量下的非线性偏差最大值，并根据所述非线性偏差最大值计算该碰撞质量下力传感器的线性度；
S9：改变S4的碰撞质量与碰撞速度范围,形成新的m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况，重复上述S4到S8的力传感器线性度测量过程，即能够获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，从而得到不同碰撞质量下的线性度关系，进而实现力传感器线性度的动态校准。
2.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S1为，调整可变质量台车的头部安装位置，使可变质量台车头部的碰撞面与地面垂直。
3.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S2为，借助镶嵌在碰撞壁上的铁犁板，将标准力传感器与待校准力传感器背靠背地固定在铁犁板上，使力传感器的承撞面与可变质量台车头部的碰撞面平行，且承撞面与碰撞面的中心重合。
4.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S3为将圆柱型端头安装在待校准力传感器上，并在圆柱型端头表面垫放薄毛毡作为缓冲垫。
5.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S4为设定一个碰撞质量，设定一个碰撞速度范围，形成m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况。
6.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S5为将可变质量台车与碰撞实验室的牵引系统相连接，且连接方法与常规碰撞试验连接方法相同。
7.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S6为通过碰撞实验室的牵引控制系统，安排m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验，同步采集标准力传感器与待校准力传感器的输出信号，其中，对牵引控制系统参数的设置与常规碰撞试验时对应的参数设置方式相同，但参数的具体数值要符合当前试验的要求。
8.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S7为所述的拟合方程如公式(1)所示：
Fb＝p+qVj (1)
式(1)中：
Fb为标准力传感器输出的力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vj为待校准力传感器输出的电压值，V。
9.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S8的具体实现方法为，
S81：根据步骤S7得到的拟合方程，计算非线性偏差最大值ΔEmax如公式(2)所示：
Figure FDA0002233983110000021
式(2)中：
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure FDA0002233983110000022
为第i个碰撞速度对应的标准力传感器输出的碰撞力值，kN；
p为拟合直线的截距,kN；
q为拟合直线的斜率，kN/V；
Vi j为第i个碰撞速度对应的待校准力传感器输出的电压值，V。
S82：根据非线性偏差最大值计算该碰撞质量下的线性度L如公式(3)所示：
Figure FDA0002233983110000023
式(3)中：
L为待校准力传感器的线性度；
ΔEmax为标准力传感器输出的碰撞力值的非线性偏差最大值，kN；
Figure FDA0002233983110000031
为待校准力传感器输出的量程。
10.根据权利要求1所述的一种碰撞力测量用力传感器线性度的动态校准方法，其特征在于：步骤S9为改变步骤S4的碰撞质量与碰撞速度范围,形成新的m组碰撞质量不变、碰撞速度从小到大变化的碰撞试验工况，重复上述步骤S4到步骤S8的力传感器线性度测量过程，即能够获得待校准力传感器在不同碰撞质量下的线性度，从而得到不同碰撞质量下的线性度关系，进而实现力传感器线性度的动态校准。
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